JARBAS CORDEIRO SAMPAIO EFEITOS DE MARÉ NO MOVIMENTO ORBITAL DE SATÉLITES ARTIFICIAIS

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1 JARBAS CORDEIRO SAMPAIO EFEITOS DE MARÉ NO MOVIMENTO ORBITAL DE SATÉLITES ARTIFICIAIS Dissertação apresentada à Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, para a obtenção do Título de Mestre em Física na área de Dinâmica Orbital. Orientador: Prof. Dr. Rodolpho Vilhena de Moraes Guaratinguetá - SP 2009

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3 DADOS CURRICULARES JARBAS CORDEIRO SAMPAIO NASCIMENTO 18/05/ Baixa Grande/BA FILIAÇÃO Benedito Arcanjo Sampaio Joselita Cordeiro Sampaio Curso de Graduação Licenciatura em Física - UEFS Curso de Pós-Graduação em Física, nível de Mestrado Faculdade de Engenharia de Guaratinguetá - UNESP

4 AGRADECIMENTOS Primeiramente agradeço a Deus, que representa não só o meu refúgio em momentos difíceis, mas também o primeiro a dividir minhas alegrias e agradecimentos; aos meus pais, em especial à minha mãe Joselita que sempre mostrou perseverança, coragem para enfrentar as dificuldades da vida e criar seus filhos com muito amor; ao Prof. Dr. Rodolpho Vilhena de Moraes que apresenta uma forma particular de orientar, privilegiando a capacidade do estudante e sempre mostrando-se disposto a ajudar; aos Professores da FEG/UNESP que contribuíram para a minha formação, com seus ensinamentos e dedicação. aos colegas e amigos da Pós Graduação em Física da FEG/UNESP, que mostraram companheirismo, dedicação e esforço para fazer sempre o melhor trabalho que puder; às minhas irmãs, Aracelle, Bruna e Catiúscia que mostram que a união é a melhor opção para enfrentar as dificuldades. à Jean pelo acolhimento, apoio e incentivo. aos amigos e companheiros da casa 437; à Joseane que é minha fonte de segurança, amor e incentivo a lutar sempre pelos meus objetivos.

5 Este trabalho contou com apoio das seguintes entidades - CNPQ - através do processo / CAPES - período:01/10/ /02/2009

6 ...Eu dignifico essa vontade de amar Essa vontade que engrandece Que embeleza todo luar E que sempre me enaltece. A resistência é desnecessária Pois a beleza se faz tamanha A raiva hilária E sorrir uma artimanha... (Jarbas Sampaio

7 SAMPAIO, J. C. Efeitos de maré no movimento orbital de satélites artificiais. 2009, 164f. Dissertação (Mestrado em Física - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá. Resumo Os satélites artificiais são utilizados em várias atividades científicas como em geodinâmica, telecomunicações, estudo do clima, experiências com microgravidade, dentre outras. Para alcançar a precisão necessária para certas missões, as órbitas devem ser determinadas com bastante precisão levando em consideração várias forças que atuam nos satélites. O efeito de maré é uma das perturbações que afetam a órbita de um satélite artificial, pois tanto o Sol como a Lua deformam o planeta, alterando assim a distribuição de massa e o potencial utilizado para estudar a variação nos elementos orbitais do satélite. Neste trabalho estuda-se a influência da maré terrestre e oceânica da Terra sobre satélites artificiais que a orbitam. Foi desenvolvida a função perturbadora para a maré terrestre, com base tanto no modelo de Kozai como no de Kaula e para a maré oceânica é adotado o modelo de Harwood e Swinerd. Os desenvolvimentos das funções perturbadoras são feitos em termos do polinômio de Legendre, aproveitando a parte secular e de longo período para estudar a variação dos elementos orbitais do satélite. Resultados das soluções seculares indicam a maior contribuição da Lua, em comparação à contribuição do Sol. Também, as perturbações devido a maré terrestre são mais proeminentes do que a maré oceânica para ambos os satélites de baixa e de alta altitude. Considerando as soluções de longo período para o satélite de baixa altitude, os resultados mostram que, para o argumento do perigeu e para a excentricidade, o período de oscilação é maior para a maré oceânica comparado a maré terrestre. Considerando os diferentes modelos para as marés, também para o satélite de baixa altitude, é mostrado que a maior variação de amplitude é para o argumento do perigeu. Perturbações devido a ressonâncias são também analisadas para os elementos orbitais métricos. PALAVRAS-CHAVE: Satélites Artificias. Efeito de Maré. Perturbações Orbitais.

8 SAMPAIO, J. C. Tide effects in the orbital motion of artificial satellites. 2009, 164f. Dissertação (Mestrado em Física - Faculdade de Engenharia do Campus de Guaratinguetá, Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá. Abstract Artificial Earth s satellites are used in several scientific activities such as geodynamics, telecommunications, climate forecast, microgravity experiments, among others. In order to attain the precision needed for some missions the orbits must be determined with high accuracy taking into account several forces acting on the satellites. The tide effect is one of the disturbances that affect the orbit of an artificial satellite. In fact, both the Sun and the Moon deforms the planet and thus modifies its mass distribution and the used potential to study the variation in the orbital elements of the satellite. In this work it is studied the influence of the terrestrial and oceanic tides on artificial Earth s satellites orbits. The disturbing functions for the terrestrial tide was developed based on the Kozai and Kaula models and for the oceanic tide was used Harwood and Swinerd model. The developments of the disturbing functions are performed in terms of the Legendre polynomials, using the secular and long period terms to study the variation of the orbital elements of the satellite. Results for the secular solution show the bigger contribution of the Moon, compared to the contribution of the Sun. Also, the perturbations due to the terrestrial tide are more noticeable than of the oceanic tide for both low and higher altitude satellites. Considering the long period solution for low altitude satellite, the results show that, for the argument of perigee and the eccentricity, the period of oscillation is bigger for the oceanic tide compared to the terrestrial tide. Considering different models for the tides, also for low altitude satellite, it is shown that the greatest amplitude s variation is for argument of perigee. Perturbations due to resonance are also analyzed for the metric orbital elements. KEYWORDS: Artificial Satellite. Tide Effect. Orbital Perturbations.

9 Lista de Figuras 3.1 Movimento em relação ao centro de massa Bojo devido a maré Defasagem relativo ao atraso do efeito de maré Força de maré Distribuição de forças na Terra Plano da órbita do satélite em relação ao plano do equador terrestre Ângulo formado entre os vetores posição r relacionando a Terra e o satélite e r 1 relacionando a Terra e a Lua Posições relativas do sol (m 2, da lua (m 1 e do satélite artificial (m em relação ao corpo central, Terra (m. No sistema Lua-Terra-satélite, o ângulo entre os vetores posição é θ. No sistema Sol- Terra-satélite, o ângulo entre os vetores posição é ψ Variação de δω pelo tempo (Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Caso 1: não-elíptico da Lua Variação de δω pelo tempo (Caso 1: não-elíptico da Lua Variação de δω e δω (considerando a inclinação da Lua variando com o tempo Variação de δω pelo tempo (Caso 2: não-elíptico da Lua Variação de δω pelo tempo (Caso 2: não-elíptico da Lua Variação de δω pelo tempo (Sol e Lua como corpos perturbadores Variação de δω pelo tempo (Sol e Lua como corpos perturbadores Variação de δω pelo tempo (Modelo de Kaula: caso elíptico da Lua Variação de δω pelo tempo (Modelo de Kaula: caso elíptico da Lua Variação de δω pelo tempo (Maré oceânica: não-elíptico da Lua Variação de δω pelo tempo (Maré oceânica: não-elíptico da Lua Variação de δe pelo tempo (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δi pelo tempo (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δe pelo tempo (Modelo de Kaula:Lua como corpo perturbador Variação de δi pelo tempo (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador

10 LISTA DE FIGURAS Variação de δω pelo tempo (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δe pelo tempo (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δi pelo tempo (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δe pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δi pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kozai: Lua como corpo perturbador Variação de δe pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δi pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Modelo de Kaula: Lua como corpo perturbador Variação de δe pelo tempo para o satélite de alta altitude (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δi pelo tempo para o satélite de alta altitude (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador

11 3.50 Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação de δω pelo tempo para o satélite de alta altitude (Maré Oceânica: Lua como corpo perturbador Variação do semi-eixo maior pela excentricidade para um dado valor da inclinação (Estudo da ressonância de co-rotação nodal Variação do semi-eixo maior pela excentricidade para um dado valor da inclinação (Estudo da ressonância de co-rotação nodal para valores próximos de zero Variação do semi-eixo maior pela excentricidade para um dado valor da inclinação (Estudo da ressonância de co-rotação nodal - comportamento na vizinhança do semi-eixo maior da Lua Variação do semi-eixo maior pela excentricidade para um dado valor da inclinação (Estudo da ressonância de co-rotação apsidal h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, h=0, Distância do apocentro e do pericentro com o aumento da excentricidade

12 Lista de Tabelas F.1 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 10 graus F.2 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 20 graus F.3 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 30 graus F.4 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 40 graus F.5 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 50 graus F.6 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 60 graus F.7 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 70 graus F.8 Valores da excentricidade, semi-eixo maior e as respectivas distâncias do pericentro e do apocentro, para uma inclinação de 80 graus

13 Lista de Símbolos a semi-eixo maior do satélite artificial a 1 semi-eixo maior da Lua a 2 semi-eixo maior do Sol B e raio médio do planeta excentricidade da órbita do satélite artificial e 1 excentricidade da Lua e 2 excentricidade do Sol f β frequência da maré constituinte β G g I constante gravitacional aceleração da gravidade inclinação da órbita do satelite artificial I 1 inclinação da órbita da Lua I 2 inclinação da órbita do Sol k 2 número de Love M anomalia média do satelite artificial M 1 anomalia média da Lua M 2 anomalia média do Sol m massa da Terra m massa do satélite artificial m 1 massa da Lua

14 m 2 massa do Sol n movimento médio do satélite artificial n 1 movimento médio da Lua n 2 movimento médio do Sol n M precessão da anomalia média do satélite artificial n M1 precessão da anomalia média da Lua n M2 precessão da anomalia média do Sol precessão do argumento do pericentro do satélite artificial 1 precessão do argumento do pericentro da Lua 2 precessão do argumento do pericentro do Sol n Ω precessão da longitude do nodo ascendente do satélite artificial n Ω1 precessão da longitude do nodo ascendente da Lua n Ω2 precessão da longitude do nodo ascendente do Sol r distância geocêntrica do satélite artificial r 1 distância geocêntrica da Lua r 2 distância geocêntrica do Sol r a distância do apocentro r p distância do pericentro T β ɛ ω tempo solar médio relaciona a massa da Terra com o do corpo perturbador defasagem da maré argumento do pericentro do satelite artificial m i mm i ω 1 argumento do pericentro da Lua ω 2 argumento do pericentro do Sol Ω longitude do nodo ascendente do satelite artificial Ω 1 longitude do nodo ascendente da Lua

15 Ω 2 longitude do nodo ascendente do Sol ρ w densidade da água do mar θ ângulo formado entre os vetores posição r 1 e r no sistema Lua-Terra-satélite artificial θ tempo sideral de Greenwich ψ φ λ ângulo formado entre os vetores posição r 2 e r no sistema Sol-Terra-satélite artificial latitude longitude

16 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO 20 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO Maré Terrestre Maré Oceânica Números de Love Ressonância FORÇA DE MARÉ MARÉ TERRESTRE (MODELO DE KOZAI Desenvolvimento da Função Perturbadora devido à Lua (Órbita excêntrica Desenvolvimento da Função Perturbadora devido à Lua (Órbita nãoexcêntrica Desenvolvimento da Função Perturbadora devido à Lua e o Sol MARÉ TERRESTRE (MODELO DE KAULA Desenvolvimento da Função Perturbadora devido à Lua (Órbita excêntrica MARÉ OCEÂNICA Desenvolvimento da Função Perturbadora devido à Lua (Órbita nãoexcêntrica EQUAÇÕES PLANETÁRIAS DE LAGRANGE RESULTADOS Maré Terrestre (Soluções Seculares Maré Terrestre (caso não-elíptico do corpo perturbador Maré Terrestre (Sol e Lua como corpos perturbadores Maré Terrestre (Modelo de Kaula Maré Oceânica de longo período Aplicação

17 4 RESSONÂNCIA RESSONÂNCIA PROVOCADA PELA CO-ROTAÇÃO NODAL n Ω e n Ω Maré Terrestre (Caso Maré Terrestre (Caso RESSONÂNCIA DE CO-ROTAÇÃO APSIDAL ESTUDO DO MECANISMO LIDOV-KOZAI RESSONÂNCIA ENTRE OS MOVIMENTOS MÉDIOS DO CORPO PERTUR- BADOR E SATÉLITE CONCLUSÃO TRABALHOS FUTUROS REFERÊNCIAS BIBLIOGRAFIA CONSULTADA A Maré Terrestre 93 B Maré Terrestre (Caso não-elíptico 114 C Maré Terrestre (Sol e Lua como corpos pertubadores 125 D Maré Oceânica de longo período 146 E Maré Terrestre (Modelo de Kaula 152 F Valores do semi-eixo maior para se ter ressonância 157

18 Capítulo 1 INTRODUÇÃO A Astronáutica, concebida como Ciência do Vôo Espacial, pode ser considerada como tendo seu início entre o final do século XIX e começo do século XX. A Astronáutica consiste na arte de navegar de astro em astro incluindo teorias e técnicas relativas a construção de foguetes, cálculo de trajetórias e órbitas de corpos celestes artificiais entre várias outras atividades (LUCA, Os principais percursores dos estudos envolvendo essa ciência foram o russo Konstantin Eduardovich Tsiolkovsky ( , o americano Robert Hutchings Goddard ( , o francês Robert Albert-Charles Esnault- Pelterier ( e o romeno com ascendência alemã Hermann Julius Oberth ( (LUCA, Um dos cientistas que forneceram contribuições diversas para a Astronáutica foi Sergei Pavlovitch Korolev ( Ele está associado, por exemplo, ao desenvolvimento dos satélites do programa Sputnik e às primeiras fotografias da fase oculta da Lua. O lançamento do Sputnik 1 causou impacto em todo planeta, pois ele marcou o início da era espacial, assim como da corrida espacial entre americanos e soviéticos, culminando anos depois na chegada do homem à Lua (WINTER; MELO, Os satélites artificiais, atualmente, são utilizados em diversas atividades como em geodinâmica, navegação, estudo da atmosfera, monitoramento do clima, nas telecomunicações, experiências com micro-gravidade, dentre outras. Mas para que o satélite tenha pleno funcionamento e cumpra o objetivo a que ele foi proposto é necessário que se tenha grande precisão na determinação de sua órbita, para que se evite, por exemplo, perdas na comunicação, ou mesmo problemas mais graves como algum acidente. Em trabalhos como Kuga, Rao e Carrara (2000, pode-se verificar que para uma determinada missão espacial ser bem sucedida é preciso que se tenha pleno conhecimento das forças perturbadoras que atuam no satélite artificial. O movimento orbital de um satélite artificial, sem perturbação, tem características como uma elipse de determinado tamanho e excentricidade constantes num plano fixo. Caso o movimento orbital não fosse perturbado, esse objeto continuaria nessa órbita indefinidamente, mas não é o que se observa na prática. Veja abaixo algumas das forças perturbadoras: iforça devida a distribuição não uniforme de massa do corpo central; iiforça de arrasto; iiiperturbação gravitacional por outros corpos; iva força devida às marés provocadas pela Lua e o Sol; vforças de radiação (pressão de radiação direta e refletida, re-emissão térmica;

19 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 21 viimpacto com outros pequenos corpos. A força perturbadora estudada no presente trabalho é devida ao efeito de maré. Um determinado corpo sente o efeito de maré devido a outro por causa do efeito do gradiente gravitacional ou a variação da força gravitacional através do corpo (MURRAY; DERMOTT, O efeito de maré é uma das perturbações que pode afetar significamente a órbita de determinados satélites artificiais que orbitam um planeta. Apesar disso, algumas missões espaciais foram realizadas sem a sua consideração e entendimento. Entretanto, percebeu-se que tanto a Lua como o Sol deformam a Terra, alterando assim o seu formato e o potencial utilizado para estudar a variação nos elementos orbitais do satélite. Atualmente, tem-se o conhecimento de modelos que descrevem a influência desse efeito sobre um satélite artificial, como os de Kozai (1973, Kaula (1969, Balmino (1974 e do IERS (1996, para a maré terrestre e IERS (1996, Schwiderski (1980, Krohn (1984 e Harwood e Swinerd (1997 para a maré oceânica. O presente trabalho mostra-se importante, pois além de verificar a variação dos elementos orbitais provocada pela perturbação devida ao efeito de maré, foram verificados e estudados casos de ressonância a partir das equações encontradas analiticamente, o que não foi abordado anteriormente. Além disso verificou-se quais tipos de órbitas são mais afetadas por essa perturbação, levando em conta diferentes órbitas. Na literatura encontram-se trabalhos como Schuh, Weber e Cerveira (2003 no qual estudam-se dados que levam em conta contribuições da maré para uma maior precisão nos sistemas de posicionamento Very Long Baseline Interferometry (VLBI e Global Positioning Systems (GPS, para que se trabalhe com alta precisão na determinação da posição. Esse trabalho de 2003 envolve pesquisas como: detectar variações e diferenças sistemáticas no IGS (International GPS Service e coordenadas da estação VLBI; investigar uma possível correlação de discrepâncias na posição dos locais observados com a distribuição regional das estações; determinar propriedades elásticas da crosta da Terra para calcular o número de Love. Para as missões GOCE, GRACE, do satélite LAGEOS, foram considerados os efeitos da maré terrestre na variação dos seus elementos orbitais (PINTO, Em trabalhos como o de Douglas et. al. (1974, foram feitas análises das perturbações de maré luni-solares na inclinação dos satélites GEOS-1 e GEOS-2, assim como, estudos a respeito da amplitude desse efeito. A pesquisa teve como objetivo estudar o comportamento dos elementos orbitais de um determinado satélite artificial quando está sob o efeito da perturbação devida a maré. O modelo desenvolvido neste trabalho é devido a Kozai (1963, 1973 e a Kaula (1969 em que o potencial considerado contém termos seculares e de longo período. A partir desse potencial calcula-se a variação dos elementos orbitais. Tanto termos seculares como de longo periodo são considerados com o objetivo de se ter uma boa aproximação do efeito perturbador sobre a órbita do satélite. Neste trabalho foi desenvolvida a função perturbadora tanto para a maré terrestre como para a maré oceânica, o que é muito importante para se entender melhor como as diferentes marés que ocorrem no planeta influenciam um objeto que esteja em órbita. O modelo aqui desenvolvido para a maré oceânica é baseado em Harwood e Swinerd (1997 e Schwiderski (1980. Um outro estudo feito foi em relação a alguns tipos de ressonância que podem ocorrer no estudo desses efeitos como a ressonância de co-rotação nodal. O presente texto está dividido em cinco capítulos, começando pela Introdução. O capítulo seguinte é a Revisão Bibiográfica trazendo discussões teóricas importantes de diferentes autores sobre os principais temas tratados neste

20 CAPÍTULO 1. INTRODUÇÃO 22 texto: maré terrestre, maré oceânica e ressonância. O Capítulo 3 denomina-se Força de Maré, e apresenta como ocorre o bojo devido a maré no planeta, assim como mostra os desenvolvimentos das funções perturbadoras e as partes seculares e de longo período, e algumas aplicações para se ter idéia da ordem de grandeza com que ocorre o fenômeno. O quarto capítulo é denominado Ressonância, abrangendo o estudo da ressonância de co-rotação nodal, de co-rotação apsidal, ressonância entre os movimentos médios e o estudo do mecanismo de Lidov-Kozai. O quinto e último capítulo traz uma visão geral do que foi feito no trabalho, com análises e discussões dos resultados apresentados e sugestões do que ainda pode ser feito em trabalhos futuros no estudo do efeito de maré.

21 Capítulo 2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA Desde o lançamento do primeiro satélite artificial, denominado Sputnik no ano de 1957 pela União Soviética, o homem tenta entender cada vez melhor a natureza do ambiente espacial, para que as missões espaciais consigam cumprir os objetivos que a elas foram propostas. Ter um bom entendimento das forças perturbadoras que atuam no satélite artificial em órbita da Terra pode significar, por exemplo, aumento da vida útil desse veículo espacial, proporcionando missões cada vez mais longas o que implica em produtividade. O desenvolvimento dos estudos relacionando qualquer efeito que venha a alterar os elementos orbitais de um objeto em órbita tem de ser considerado. Nesses estudos percebeu-se que o efeito de maré que é causado pela força gravitacional que a Lua e o Sol exercem sobre o planeta, provoca perturbações nas órbitas e a intensidade com que isso afeta os elementos orbitais depende de fatores como a altitude em relação a superfície terrestre e também da localização do satélite em relação à superfície do planeta. 2.1 LEVANTAMENTO BIBLIOGRÁFICO Maré Terrestre A idéia de uma Terra não totalmente rígida e, portanto, sujeita a deformações elásticas quando sob a influência de forças perturbadoras, tem cerca de um século e meio, segundo Gemael (1999. Como a Terra não é perfeitamente rígida, ela se deforma sob a ação do potencial que é criado devido a atração gravitacional do Sol e da Lua, alterando assim a distribuição de massa do planeta (KUGA; RAO; CARRARA, A nova distribuição de massa gera um novo potencial no espaço diferente do original. Inicialmente assumese que a massa do terceiro corpo, Sol ou Lua, esteja concentrada no seu centro de massa, com o objetivo de modelar o efeito da presença desse terceiro corpo no potencial da Terra, em outras palavras significa que é desprezado o tamanho do corpo perturbador tendo em vista a grande distância do mesmo em relação à Terra. O efeito de maré ocorre num planeta porque a gravidade é função da distância radial, sendo que as diferentes partes do planeta estão a distâncias diferentes de um corpo perturbador, sofrendo forças gravitacionais ligeiramente distintas. Isso implica que partes diferentes do planeta se movem a acelerações também diferentes. O resultado disso é que o planeta é deformado de acordo com a atração gravitacional e é acelerado na direção que liga os dois centros (LAZZARO, 1989.

22 CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 24 A magnitude do bojo devido a maré em um corpo é determinada em parte pela distribuição da densidade interna, dessa forma, em princípio uma medida da amplitude da maré poderia ter alguma ligação com a determinação da estrutura interna (MURRAY; DERMOTT, O potencial que indica a deformação associado com a rotação do planeta atua em um caminho similar ao que é provocado pela maré e a medida da deformação rotacional de um planeta pode ser usada para determinar sua distribuição de densidade interna. Este conhecimento pode ser usado para estimar a resposta do planeta ao potencial de maré. A resposta do satélite ao efeito de maré pode resultar numa evolução dinâmica do sistema, pois a maré causada em um planeta por um satélite natural pode ter ligação com a evolução orbital desse satélite e uma mudança na velocidade de rotação do planeta. Existem fatores característicos ao efeito de maré na Terra, como o ângulo de atraso que é causado pela diferença entre o bojo da maré e a passagem do satélite. Em Kaula (1969, discute-se que as funções pertubadoras devido a maré foram desenvolvidas fazendo o fator de amplitude k e o ângulo de atraso ε como somas de harmônicos esféricos zonais. Em Dissertações de Mestrado apresentadas na FEG, foram analisadas variações nos elementos orbitais do satélite artificial considerando a perturbação devido ao efeito de maré terrestre provocada pela Lua. Santos (2002 estuda o efeito de maré terrestre a partir do modelo de Kozai. Pinto (2005, estuda e compara quatro modelos de maré terrestre: - O modelo de Kozai (1973 desenvolve o potencial em termos seculares e de longo período. - O modelo de Kaula (1969 considera o ângulo de atraso e os números de Love em função da latitude, expandindo-os em harmônicos esféricos (polinômios de Legendre. - O modelo de Balmino (1974, é análogo ao de Kaula, apesar de ter uma notação considerada complexa. Existem diferenças no tratamento do número de Love, que é representado como função da latitude e longitude. - O modelo do IERS (1996, considera a influência no movimento orbital de um satélite em termos de perturbações nos coeficientes C nm e S nm do geopotencial. No presente trabalho o efeito de maré terrestre é desenvolvido, baseado nos modelos de Kozai (1965, 1973 e de Kaula (1969. Foram desenvolvidas as funções perturbadoras considerando a Lua como corpo perturbador e considerando a Lua e o Sol como corpos perturbadores, com o objetivo do melhor entendimento desse efeito em cada caso. Para isso faz-se a aplicação das soluções dos elementos orbitais através de dados de satélites artificiais de baixa e de alta altitude em relação a superfície terrestre para se ter um maior entendimento de como acontece o efeito de maré Maré Oceânica O fenômeno das marés oceânicas, de acordo a Gemael (1999, foi reconhecido por muitos povos da antiguidade, pela sua periodicidade e grandeza. Entretanto, para as civilizações que viveram às margens do Mediterrâneo, esse fenômeno passou despercebido, porque nesse mar interior a amplitude da maré é considerada muito fraca em comparação com a de outros mares. O fenômeno foi observado por Heródoto (450 A.C. no Mar Vermelho e um século mais tarde Aristóteles o correlacionou com o satélite natural da Terra. Tempos mais tarde, Plínio, já no início da era cristã, fala da correspondência da maré com as fases lunares. De qualquer modo, a compreensão do problema teve que aguardar

23 CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 25 até que Newton desse sua contribuição com a Lei Universal da Gravitação. No último quarto do século XVIII, o fenômeno recebeu tratamento matemático com Laplace, sendo acrescentado a isso cem anos depois, a análise harmônica da predição de marés por Kelvin e continuando o aperfeiçoamento depois com Darwin, Rayleigh, dentre outros. Por muitos anos, o interesse prático sobre a maré oceânica se restringiu às águas litorâneas. No entanto, com o passar dos tempos o avanço científico e tecnológico criou a necessidade de se ter maior precisão sobre o movimento dos oceanos do mundo. O conhecimento preciso permite aos pesquisadores determinar importantes parâmetros hidrodinâmicos dos oceanos e também parâmetros elásticos da parte sólida da Terra. Dessa maneira, interações entre marés oceânicas e atmosfera, corpos celestes e satélites artificiais, podem ser estudados com alta precisão (SCHWIDERSKI, As marés e correntes oceânicas precisam ser determinadas com uma precisão compatível com a precisão da geóide desejada para fornecer correções efetivas para medidas altimétricas. Desde Newton (1687, oceanógrafos, físicos e matemáticos tentam desenvolver modelos realísticos de marés dos oceanos do mundo (SCHWIDERSKI, 1980: (1 métodos empíricos, que se dão por análise de dados de medidas de maré em estações espalhadas em continentes, ilhas e mares profundos ao redor do mundo; (2 métodos teóricos, obtidos por ferramentas matemáticas analíticas e numéricas designadas para a integração de equações hidrodinâmicas que governam as correntes de maré; (3 métodos de interpolação hidrodinâmica, que combinam os métodos empírico e teórico numa técnica considerada consistente. A primeira explicação física de marés foi dada por Newton (1687, introduzindo a teoria de equilíbrio de marés como uma consequência direta de sua mais nova teoria descoberta da gravitação. Por observação de numerosos dados de maré oceânica, mapas foram construídos de oceanos localizados em vários lugares do mundo. Esses mapas fornecem uma visão qualitativa geral do fenômeno de maré oceânica, sendo que alguns deles têm um certo grau de realidade, ao menos em algumas áreas oceânicas. São feitas várias considerações com a finalidade de simplificar o modelo, assumindo o oceano como uma camada simples, todos os componentes da velocidade são considerados independentes da profundidade. Assumese que a superfície do mar é perfeitamente esférica sem qualquer forma geoidal ou perturbações que possam ser causadas pela atmosfera ou pela densidade. Sherneck (1996, apresenta em seu trabalho, utilizado na Convenção do IERS (1996, dados de amplitude do efeito de maré para os diversos tipos de maré oceânica tanto sob a influência da Lua como do Sol e mostra em uma tabela valores de amplitude de constituintes das marés, indicando o tipo de maré M 2, que é perturbada sob a influência da Lua, chamada semi-diurna como a de maior amplitude. Em Baker e Bos (2003, são estudados alguns tipos de maré a partir de observações do Projeto Geodinâmico Global com o teste de modelos de maré terretre e cerca de dez modelos de maré oceânica. A grande quantidade de modelos de maré oceânica se deve a resultados anômalos que são apresentados por determinados modelos em várias partes do mundo. Isso porque existem fatores que são característicos de cada região de oceanos e mares que acabam por interferir na resposta ao efeito de maré. O deslocamento de partículas líquidas (marés oceânicas e as deformações elásticas da crosta (marés terrestres,

24 CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 26 sob a ação gravitacional da Lua e do Sol, são de grande relevância, devido às implicações com a Oceanografia, Geofísica e Dinâmica de Órbitas. Tanto que de acordo com Gemael (1999 é mantido o Centro Internacional de Marés Terrestres, sediado em Bruxelas desde No presente trabalho estudam-se os efeitos seculares e de longo período sobre órbitas de satélites artificiais a partir de uma função perturbadora que tenta descrever a maré oceânica. A função foi desenvolvida a partir do modelo de Harwood e Swinerd (1997. O efeito completo de maré da Terra é um processo complexo que envolve tanto a parte líquida como a parte sólida do planeta. O presente trabalho traz tanto soluções seculares e de longo período da maré terrestre como da maré oceânica, podendo assim proporcionar um melhor entendimento de como esse tipo de perturbação age em cada caso Números de Love Os coeficientes responsáveis pela plasticidade do planeta são os coeficientes de maré também denominados de números de Love, os quais variam dependendo da posição na Terra (KUGA et. al., Observações da NASA (1977, KUGA e SILVA (1984, mostram que : 0, 245 ± 0, 005 k 2 0, 31 ± 0, 01 Os números de Love medem a deformação que ocorre na superfície da Terra devido ao movimento de porções terrestres ou oceânicas ocasionadas pela influência gravitacional de corpos como a Lua e o Sol. A força perturbadora devido ao efeito de maré foi desenvolvida fazendo desenvolvimentos no fator amplitude k e no ângulo de atraso ε de forma que fossem expressos em termos de somas de harmônicos esféricos zonais. É importante o entendimento de como ocorre a fricção da maré. Se no início a Lua estava em uma órbita equatorial em relação à Terra, a fricção da maré nada pode fazer sobre a inclinação da órbita. Porém, uma vez inclinada, a fricção da maré pode perturbar a inclinação de maneira mais rápida se houver uma comensurabilidade entre a rotação da Terra e a revolução da Lua (KAULA, Goldreich (1966 e Munk (1968 sugerem que um efeito de maré assimétrico da Terra teve uma contribuição significante na evolução orbital da Lua. Isso porque o número de Love k 2 depende da localização geográfica na superfície da Terra. O número de Love k l (φ, λ e o atraso de fase ε lmpq (φ, λ são considerados variarem lentamente em função da posição, sendo representados por harmônicos esféricos. Mas devido à rotação da Terra parte da dependência com a longitude do produto k l ε lmpq que terá efeito sobre alguma órbita é desconsiderada, pois sendo cíclico toma-se a média da longitude. Dessa forma, pode-se assumir que k l e ε lmpq sejam funções apenas da latitude. No trabalho aqui apresentado, foi adotado o valor médio do número de Love, baseado na faixa de valores apresentada pela NASA (1977. Desse modo foi considerado que k 2 tem o mesmo valor em toda superfície do planeta independente da localização geográfica Ressonância Define-se ressonância, no sistema solar, como uma situação em que a razão entre os movimentos médios de dois ou mais corpos tem uma razão próxima de números inteiros. Nos últimos anos, muitas pesquisas envolvendo perturbações em satélites artificiais, estão incluindo análises a respeito de ressonância, o que mostra a importância do conhecimento desse efeito. Vilhena de Moraes et. al. (2007 analisa o efeito da ressonância nos elementos orbitais do satélite a partir da comensurabilidade do seu

25 CAPÍTULO 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA 27 movimento médio com a rotação da Terra, através de ressonâncias do tipo 2:1 e 15:1. A influência das ressonâncias no movimento translacional e rotacional de satélites artificiais foi estudada em vários aspectos tais como: acomensurabilidade do movimento orbital do satélite com o movimento rotacional do planeta; b considerando a inclinação crítica; c considerando perturbações lunisolares; d incluindo órbitas sol-síncronas; e considerando a pressão de radiação solar; f considerando o acoplamento spin-órbita; g considerando frequências relacionadas com o movimento rotacional. O alvo principal deste tipo de trabalho é o de calcular a variação temporal dos elementos orbitais de um satélite artificial, devido à influência da ressonância. Breiter (2000, estuda o tipo de ressonância chamada de C7, que é uma ressonância do tipo apsidal, entre a longitude do pericentro do satélite e a longitude média do Sol. Nas equações desenvolvidas pelo autor, ele estuda pontos críticos e órbitas ao redor da Terra e de Marte. É comum também o estudo de ressonâncias entre luas do sistema solar e planetas extra-solares. Em Zhow et. al. (2004, é analisada uma ressonância de movimento médio em co-rotação apsidal entre dois planetas extrasolares que se movimentam ao redor do sistema 55 Cancri. É um movimento orbital tido como complexo devido a diferentes tipos de estabilidade e que envolve altas excentricidades. Em trabalhos como Sampaio e Vilhena de Moraes (2008a, 2008b, 2008c, estuda-se a influência da maré terrestre nas órbitas de satélites artificiais, observando o aparecimento de fatores ressonantes que podem ser analisados. Existem termos envolvendo a longitude do nodo ascendente que são analisados no presente trabalho pela ressonância de co-rotação nodal. Ao longo dos anos, muitos trabalhos foram desenvolvidos sobre ressonância, o qual é um efeito importante a ser considerado, pois pode afetar a órbita de um satélite de modo não previsto e prejudicar uma missão espacial.

26 Capítulo 3 FORÇA DE MARÉ Considere um planeta de massa m p e um satélite de massa m s. Se forem considerados como massas pontuais, pela Lei da gravitação de Newton, tem-se a magnitude da força mútua, F, como: F = G m pm s r 2 (3.1 sendo que r é a separação dos centros de massa. Se for considerado que os corpos movem-se em órbitas circulares sobre seu baricentro, veja na figura (3.1, pode-se fazer a seguinte relação entre os semi-eixos maiores das órbitas e as massas: tendo entre os corpos a separação a = a p a s. a s a p = m p m s (3.2 Figura 3.1: Movimento em relação ao centro de massa. Em Lazzaro (1989, discute-se que as marés ocorrem fundamentalmente em um planeta porque a gravidade depende da distância radial. Como resultado do fato de que diferentes partes do planeta estão a diferentes distâncias, o planeta é deformado segundo a atração gravitacional e acelerado na direção que liga os centros, entre planeta e satélite (figura 3.2. A força na superfície do planeta varia proporcionalmente a R r 3, sendo R o raio do planeta e r a distância planetasatélite.

27 CAPÍTULO 3. FORÇA DE MARÉ 29 Figura 3.2: Bojo devido a maré A distorção na superfície do planeta devido ao efeito de maré vai depender de como seja o planeta, se sólido ou líquido ou parte sólido e parte líquido como é o caso da Terra, onde alguma dissipação ocorre devido à inelasticidade, fricção, viscosidade, dentre outros. No sistema solar, o caso mais comum é que o spin de rotação do planeta, ω, seja mais rápido do que a velocidade angular orbital do satélite natural, n. Isso faz com que a deformação máxima aconteça depois da máxima força, tendo uma diferença no tempo. Dessa forma aparece um ângulo em relação ao eixo que liga os dois centros, como mostra a figura 3.3. Figura 3.3: Defasagem relativo ao atraso do efeito de maré Um torque, que diminue a rotação do planeta e faz com que este spin seja síncrono com a velocidade angular do satélite natural, é gerado devido a atração gravitacional entre o satélite natural e a deformação assimétrica. Esse processo gera uma contrapartida que causa o sincronismo da rotação da Lua com o planeta. Tendo o fato que a componente da atração da deformação é no sentido do movimento do satélite natural, ocorre um processo de compensação fazendo com que a órbita se expanda. Isso ocorre no sentido de conservação do momento angular total do sistema, sendo que as mesmas forças aumentam o momento angular da órbita na mesma quantidade que foi perdida devido ao spin. Para melhor entender como agem as forças que geram a força de maré no planeta e o bojo, faz-se o exemplo a seguir. Definindo um ponto P de um modelo esférico e rígido, caracteriza-se por força de maré em P, a diferença entre a força exercida pelo Sol e pela Lua sobre a unidade de massa colocada nesse ponto e no centro do modelo. Percebe-se pela figura 3.4, indicando por M p a massa de um dos corpos perturbadores, com base na lei da Gravitação que: F = f f (3.3

28 CAPÍTULO 3. FORÇA DE MARÉ 30 Figura 3.4: Força de maré com f = km p d 2 (3.4 Lua. f = km p d 2 (3.5 sendo F a força de maré e k a constante de Newton. A equação (3.3 é aplicada tanto para o Sol como para a A figura 3.5, mostra, de acordo com Gemael (1999, como acontece a distribuição das forças na Terra, devido ao corpo perturbador, resultando no bojo devido a maré em ambos os lados: Figura 3.5: Distribuição de forças na Terra Sabe-se da existência de determinados fatores que são decisivos para a ocorrência do efeito de maré na Terra, como o movimento de rotação do planeta, a força de atração gravitacional que tanto o Sol como a Lua exercem sobre a Terra e o movimento do planeta ao redor do centro de massa do sistema Terra-Lua. Basicamente explica-se a força de maré, como na figura (3.5, como sendo a resultante das forças gravitacional e centrífuga. É importante o entendimento desse processo, porque como a força centrífuga age dos dois lados

29 CAPÍTULO 3. FORÇA DE MARÉ 31 do planeta, a resultante dessa força com a gravitacional sempre está mudando a sua influência, pois depende das posições do Sol e da Lua em relação ao planeta e o bojo devido a maré é gerado em ambos os lados do planeta. 3.1 MARÉ TERRESTRE (MODELO DE KOZAI Desenvolvimento da Função Perturbadora devido à Lua (Órbita excêntrica Antes de mostrar o desenvolvimento da função perturbadora é interessante observar como estão localizados os elementos orbitais do satélite em relação ao plano do Equador da Terra. A Figura 3.6 representa o plano orbital em relação ao plano equatorial, considerando que ν é a anomalia verdadeira, Ω a longitude do nodo ascendente, ω é o argumento do perigeu, I é a inclinação do plano da órbita do satélite em relação ao plano equatorial, N representa a intersecção do plano do Equador com o plano orbital do satélite: Figura 3.6: Plano da órbita do satélite em relação ao plano do equador terrestre A função Perturbadora descrita por Kozai (1963 devido ao efeito de maré é: R OE = n 2 1β R5 r 3 ( a1 r 1 3 k 2 P 2 (cos(θ (3.6 no qual k 2 é o número de Love; β corresponde a m 1 /(mm 1 ; n 1 é dado por G(mm 1 /a 3 1, G é a constante gravitacional, m é a massa da Terra, m 1 a massa da Lua e a 1 é o semi-eixo maior da Lua; r é a distância do satélite; r 1 é a distância geocêntrica da Lua. Veja na figura 3.7 a seguir onde está localizado o ângulo θ: O polinômio de Legendre responsável pelo desenvolvimento do potencial que descreve a perturbação devido a maré é dado por: P 2 (cos(θ = 3 2 s2 1 2 (3.7 com

30 CAPÍTULO 3. FORÇA DE MARÉ 32 Figura 3.7: Ângulo formado entre os vetores posição r relacionando a Terra e o satélite e r 1 relacionando a Terra e a Lua. s = r.r 1 rr 1 (3.8 Para estudar a variação dos elementos orbitais precisa-se escrever s em função dos elementos orbitais. Adotando coordenadas geocêntricas, com o eixo x direcionado ao equinócio e o eixo z ao polo norte, tem-se três componentes de r: x r = cos(ωcos(ω ν sin(ωsin(ω νcos(i (3.9 y = sin(ωcos(ω ν cos(ωsin(ω νcos(i (3.10 r z = sin(ω νsin(i (3.11 r definindo Ω como a longitude do nodo ascendente, ω é o argumento do perigeu e I a inclinação da órbita. As mesmas grandezas e expressões são similares para a Lua, introduzindo o índice 1 para representar os elementos com referência ao Equador. Dessa forma, pode-se representar o s da seguinte forma: s = xx 1 yy 1 zz 1 rr 1 (3.12 Para que todo o potencial descrito pela equação (3.6 seja escrito em termos dos elementos orbitais a, e, I, M, Ω, ω, tanto do satélite artificial como da Lua, expansões serão feitas no Programa Computacional Maple 9.5, afim de separar os termos nas anomalias verdadeiras ν e ν 1, substituindo-os por relações trigonométricas que envolvam os elementos que serão trabalhados.

31 CAPÍTULO 3. FORÇA DE MARÉ 33 Os termos com sen(ν, cos(ν são expandidos em termos da anomalia média (M, até segunda ordem na excentricidade e faz-se também expansões em sen(m 1 e cos(m 1 correspondentes ao corpo perturbador. Substituindo todas essas relações e expansões mostradas anteriormente em (3.6, obtém-se uma função em termos de a, e, I, ω, Ω e M, além das variáveis correspondentes à Lua, representadas com índice 1. Para este trabalho em específico será considerado uma função que dependa de termos seculares e de longo período, para isso serão eliminados M e M 1 da função perturbadora. O processo utilizado está descrito em Roy (1988: med(1 = 1 2π 2π 0 R OE.dM 1 (3.13 med(2 = 1 2π 2π 0 (med(1.dm (3.14 O processo utilizado nas equações (3.13 e (3.14, mostra que são eliminados primeiro os termos envolvendo a variável M 1 e depois os termos envolvendo a variável M, mas no tratamento analítico a ordem não importa, podendo ser eliminados primeiro os termos com a variável M. Depois de realizar esses cálculos no Maple 9.5, chega-se à expressão da função perturbadora dependente apenas dos termos seculares e de longo período. A função perturbadora encontrada é do tipo: R OE = R OEs (a, a 1, e, e 1, I, I 1 R OELP (a, a 1, e, e 1, I, I 1, ω, ω 1, Ω, Ω 1 (3.15 A equação R OEs representa as variações seculares e R OELP representa as variações de longo período. Observando que no desenvolvimento da função perturbadora não foi considerada a defasagem, que é o tempo de atraso entre a passagem do corpo perturbador por determinado lugar e a resposta a essa passagem devido ao efeito de maré. Parte secular : R OEs = 1 64a 3 n 1 2 β R 5 k 2 (20 12 (cos (I 2 18 e 1 2 (cos (I 2 30 e (cos (I 2 (cos (I e 2 (cos (I e 1 2 (sen (I 2 (sen (I e 2 (cos (I 2 45 e 2 1 e 2 18 e 2 (cos (I 2 (cos (I e 2 1 e 2 (sen (I 2 (sen (I e 2 18 e 2 1 (cos (I e 2 (sen (I 2 (sen (I (cos (I (sen (I 2 (sen (I e 2 1 e 2 (cos (I 2 27 e 2 1 e 2 (cos (I e 2 1 e 2 (cos (I 2 (cos (I e 2 1 (cos (I 2 (cos (I 1 2 (3.16 Parte de longo período: